MIKE21模型在胶州湾红岛湿地植栽中的应用研究

张明志，仇银豪，何一飞，聂咸文，陈 燕，谢 娟 （东联（上海）创意设计发展有限公司，上海 200233）

滨海湿地作为陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡带，目前正受到日益增强的围垦、污染、生物资源过度利用等因素威胁，湿地面积正快速减少和逐步破碎化。如何保护滨海湿地，恢复健康的湿地生态系统，已成为解决湿地、海洋问题的关键所在。

红岛湿地（图1）位于山东省青岛市红岛经济区，西侧为青岛市“母亲河”大沽河，南侧为胶州湾，面积约25 km2，是目前胶州湾最大最重要的滨海湿地。受常年人类生产活动的影响，盐田、虾池等人工湿地大量存在，场地已形成以大量埤塘型人工湿地为主，少量盐沼湿地和河口湿地构成的体系。红岛湿地的建设旨在解决以下四大主要问题:淡水严重不足;土壤盐渍化程度加剧;埤塘湿地比重过大且污染严重;物种结构单一，生物多样性受到威胁。

1 MIKE21模型简介

丹麦水力研究所（DHI）开发的平面二维数学模型MIKE21是一款应用广泛的商业模型。目前该软件在国内的应用发展很快，并在一些大型工程中广泛应用。MIKE21是DHI开发的系列水动力学软件之一，属于平面二维自由表面流模型，可用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境场，为水利工程、海岸规划等提供完备、有效的设计条件和参数［1］。

2 MIKE21HD及Transport计算原理

MIKE21软件中的水动力学模块（HD模块）是其最核心的基础模块，可以模拟水位和水流变化，以及任何忽略分层的二维自由表面流［1］。基于HD模块的水动力条件及运行结果，应用Transport模块模拟物质组分在时间和空间上的输移特性。

2．1 控制方程组 对于水平尺度远大于垂直尺度的情况，由于水深、流速等水力参数沿垂直方向的变化比沿水平方向的变化要小得多，因此，将三维流动的控制方程沿水深积分，并取水深平均，可得到沿水深平均的二维浅水流动质量和动量守恒控制方程组。其连续性方程、X和Y方向动量方程可分别表示为［2］:

式中，H为水深，H=h+ζ，其中h、ζ分别为净水深和水位;t为时间;p、q为X、Y方向上的流通通量;C为谢才系数;g为重力加速度，f为科氏力系数;ρ为水的密度;W、Wx、Wy为风速及在 X、Y 方向上的分量;fw为风阻力系数;τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量。

模型在二维X、Y方向求解的对流扩散方程式为:

式中，c为组分质量浓度;t为时间;p、q为X、Y方向上的流通通量;Dx、Dy为组分在X、Y方向上的分子扩散系数。

2．2 定解条件

2．2．1 边界条件。开边界:按潮位过程和流速或流量过程计算;闭边界:利用岸壁法，取法向不可入条件，即法向流速为零［1］。

2．2．2 初始条件。模型计算的初始条件有3种:①恒定初始值在全模拟区域从静止状态开始，取流速和水位为定值;②对模拟区域内各网格点或区域指定不同初始水位和流速;③“热启动”（hot start）方式，即利用之前计算结果作为本次计算的初始条件［2］。

2．2．3 计算时间步长。根据Courant数（CR）选取时间步长:

式中，CR为Courant数;h为净水深;△t为时间步长;△x为空间步长;g为重力加速度。

3 MIKE21模型应用

3．1 水文气象 胶州湾潮汐属规则半日潮类型，设计高潮位1．921 m，设计低潮位－2．049 m（以1985年国家高程基准面起算）。胶州湾全年以风生浪为主，湾内常见波的波高不足0．5 m。秋、冬两季全海域盛行偏北向浪，以NW向出现频率最多（17% ～31%）;春、夏两季盛行偏南向浪，以SE向出现频率为最多（30% ～33%）。

3．2 参数设置 采用MIKE21 FM非结构三角形网格构建模型，网格数量约3万个，数值模拟计算采用MIKE21模型的水动力模块（HD）及Transport模块。

3．2．1 边界条件。胶州湾开边界采用天文潮实测潮位（图2），大沽河入流边界流量数据采用该河段的多年平均流量，内陆其他入流量主要来自市政雨水排放，依据红岛经济区防洪排涝规划取值。

3．2．2 初始条件。湿地底部高程及水位采用实测数据（图2）。

3．2．3 参数处理。风向采用不利风向东南风，风速取模拟月份平均风速;干湿边界、阻力系数等参数取模型自定义经验数值。

3．2．4 盐度设置。内河入流初始盐度取0．1 g/kg，胶州湾开边界初始盐度取35 g/kg。

3．3 模拟结果

3．3．1 流场模拟。根据胶州湾长系列潮汐表进行分析，8月份胶州湾潮位偏高，因此模型计算胶州湾开边界选取2014年8月上旬实测潮位值，计算时长取15 d。红岛湿地水动力模拟结果（图3）表明:低潮位及平均潮位时，红岛湿地受潮汐流影响较小，当潮位高于1．05 m时，海水漫入红岛湿地，湿地受潮汐漫滩影响时间约占总模拟时长的1/3。

3．3．2 盐度模拟。选取2014年8月15日低潮位（－2．02 m）及高潮位（2．03 m）时段。相应潮位对应水体盐分布见图4。

根据滨海地区海水入侵及土壤盐渍化研究［3］、滨海盐渍土水盐运动模拟研究［4］等相关研究内容以及湿地现状用地分析，按《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001）（2009年版）盐渍土含盐量分类标准［5］，将红岛湿地土壤盐渍化程度分为以下4类（图5）。

3．4 结果验证 根据胶州湾红岛湿地土样含盐量检测报告，结合湿地现状植被，复核MIKE21模拟预测结果。

3．4．1 土样分析检测。中国海洋大学土工试验室出具的红岛湿地中心区两处土样的检测报告［6］（表1）。

由表可知，湿地中部取样点（1#）不同深度的土壤含盐量在0．78% ～2．04%，临海区取样点（2#）在1．6% ～3．77%，按《岩土工程勘察规范》（GB50021－2001），1#、2#点均为中盐渍土，与模拟预测结果基本一致，误差控制在合理范围内。

3．4．2 湿地现状植被。通过现场勘察，远离海湾的湿地北部区域水生植物较为丰富，景观性较好，且有少量耕地，以玉米种植为主。湿地中部以盐田为主（东风盐场），地表裸露，植被稀少。湿地南侧临海，以虾池、海参池为主，四周较高台地生长有少量芦苇及碱生植物（图6）。

总体而言，红岛湿地现状植被分布与MIKE21模拟得到的盐度分布规律较为一致，部分区域植被分布有所出入，或与地形数据缺失及MIKE21模型网格划分精度不足有关。总体而言，模拟预测结果对植物栽植选型具有参考价值。

表1 土样腐蚀性分析成果

4 植物栽植设计

植物作为生产者，在湿地的恢复、重建过程中发挥着重大作用。在滨海湿地盐渍化的背景下，为保障植物前期成活率及后期生长效果，科学分析湿地盐分梯度分布对植栽具有重要的影响。通过MIKE21模型对湿地盐分梯度的模拟、分析和预测，该研究将从陆生、水生植物两个方面对湿地植物进行合理优化配置。

4．1 陆生植物 树木的耐盐能力是指造林后1～3年内，幼树对土壤盐碱的适应性，是盐碱地上树木忍受盐渍化程度并产生产量的能力。把树木生长受到盐碱抑制，但不明显降低树木成活率及生长量时的土壤含盐量作为该树种的耐盐能力。

不同物种具有不同的耐盐能力，同时耐盐能力也与树龄大小、树木强弱、土壤质地、含水率及盐分种类有关。一般将树木的耐盐能力划分为强、中、弱 3 级［7］，并将相应树木［8－9］应用到红岛湿地中（表2）。

表2 树种耐盐能力分级

4．2 水生植物 水生植物作为水生态系统的重要部分，可通过发达的枝叶和根系形成天然过滤层，吸附、分解和转化水中污染物质，促进水域养分平衡，兼具生态、经济、景观、养殖及气候效益等多种功能。

红岛湿地在陆域淡水及潮汐流的交汇下，形成多梯度盐分的水体结构。通过MIKE21模型的前期分析，并结合水生植物生长习性，在湿地水分盐度低于0．2%的淡水及微咸区配置芦苇、茭草、慈姑、菖蒲、美人蕉、芡实等挺、浮水植物，以及菹草、黑藻、苦草、眼子菜等沉水植物;湿地水分盐度不高于1．0%的微咸水种植芦苇、千屈菜、蓖齿眼子菜、金鱼藻、水鳖等水生植物;高于1．0%的咸水种植碱蓬、盐角草、川蔓藻等水生植物。

同时通过以植物蛋白（轮叶黑藻、苦草、伊乐藻等沉水植物茎叶）代替动物蛋白作为饵料及多渔业品种混养、轮养、轮捕轮放的生态养殖模式等途径，丰富埤塘种群结构，减轻传统人工埤塘的污染负荷。

5 结语

该研究通过MIKE21模型的水动力模块及Transport模块，科学地模拟、分析和预测胶州湾红岛湿地水体及土壤的盐分梯度分布，为红岛湿地植被恢复提供必要的理论依据。通过多层次、多品种的湿地植物，提高淡水利用率，削减污染负荷和丰富生物种群结构，以期达到构建健康、完整、自我持续的湿地生态系统的目的，为解决滨海湿地及海洋问题找到一条行之有效的途径。

［1］安永宁，杨琨，王莹，等．MIKE21模型在海洋工程研究中的应用［J］．海岸工程，2013，32（3）:1 －10．

［2］许婷．丹麦MIKE21模型概述及应用实例［J］．水利科技与经济，2010，16（8）:867－869．

［3］张国明，顾卫，吴之正，等．渤海湾风暴潮倒灌对沿岸农田土壤盐分的影响［J］．地球科学进展，2006，21（2）:157 －160．

［4］赵耕毛，刘兆普，陈铭达，等．海水倒灌滨海盐渍土的水盐运动模拟研究［J］．中国农业科学，2003，36（6）:686－680．

［5］中华人民共和国建设部．岩土工程勘察规范（GB50021－2001）［S］．北京:中国建筑工业出版社．2009:82－83．

［6］中国海洋大学土工实验室．湿地公园工程土壤腐蚀性分析成果表［R］．青岛，2013．

［7］王治国，张云龙，刘徐师，等．林业生态工程学［M］．北京:中国林业出版社，2000:397－399．

［8］赵可夫，李法曾，樊守金，等．中国的盐生植物［J］．植物学通报，1999，16（3）:201 －207．

［9］李红丽，丁国栋，董智，等．中捷农场滨海盐碱地立地类型划分及其植被恢复技术［J］．中国水土保持科学，2010，8（5）:86 －91．